KR100941689B1

KR100941689B1 - 정전기 제거용 연 x 선 발생관

Info

Publication number: KR100941689B1
Application number: KR1020040063684A
Authority: KR
Inventors: 박래준; 김현숙
Original assignee: 윈테크주식회사; 박래준
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2010-02-17
Also published as: KR20060014925A

Abstract

본 발명은 절연세라믹을 베이스 구조로 하는 연 엑스선 발생관이다. 장치의 구조는 타겟으로서 Au가 코팅된 Be 창, 텅스텐 필라멘트와 니켈 집속관으로 되어있는 음극 그리고 이들 Be 창과 음극이 조립되는 세라믹절연 애자 베이스로 구성되어 있다. 본 발명제품은 정전기 제거용이므로 초점 사이즈는 중요한 요소가 아닌 점과 다른 용도에 비해 저전압(10kV 내외)인 점을 감안하여 구조를 단순하게 한 것을 특징으로 하며 또한 정전기 제거용으로서 유용한 조건인 큰 조사각도(130°이상)와 방열구조와의 결합의 용이성 및 좁은 공간에도 장착이 가능한 얇은 외관에서 장점을 갖는 구조를 취한 것을 특징으로 한다.

연엑스선, 엑스선관, Be 창, 정전기제거장치

Description

정전기 제거용 연 X 선 발생관{Soft X-ray tube for static charge eliminator}

도 1은 종래의 연엑스선 발생관.
도 2a는 본 발명에 따른 일실시예인 연엑스선 발생관.
도 2b는 본 발명에 따른 일실시예인 연엑스선 발생관의 집속관의 평면도 및 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 일실시예인 연엑스선 발생관 작동 회로 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 일실시에인 연엑스선 발생관의 조립 순서도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1-1 : 양극 1-2 : 타겟

삭제

1-3 : 집속관 1-4 : 필라멘트

삭제

1-5 : 유리 외관벌브 1-6 : Be 창 지지대

삭제

1-7 : Be 창
2 : 연 X선 발생관 2-1 : Be창
2-2 : Be 창 지지대 2-3 : Au 타겟
2-4 : 니켈 집속관 2-5 : 링형 텅스텐 필라멘트

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2-6 : 세라믹 절연애자 베이스 2-7 : 코바 어뎁터

삭제

2-8 : 니켈 전극스템 지지 디스크 2-9 : 니켈 전극스템

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2-10 : 진공배기관 2-11 : 고정탭
2-12 : 베이스 홈 2-13 : 집속관 홈

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2-15 : 절연 세라믹 관 2-16 : 링형 필라멘트 지지대

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3-1 : 필라멘트 가열전원 3-2 : 고전압전원

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3-3 : 접지
A : 집속관 홈 구경
B : 필라멘트와 집속관 홈 측면 사이의 간극
C : 필라멘트와 집속관 홈 바닥 사이의 간극
D : 필라멘트와 집속관 홈의 테두리면 사이의 간극

삭제

엑스선은 가열된 필라멘트에서 발생된 열전자가 관전압에 의해 가속되어 타겟에 충돌될 때 발생된다. 가속된 전자의 충돌순간 속력이 v 라면 전자의 운동에너지 1/2 mv² 이고 가속된 전자가 충돌정지 되면서 이 운동에너지가 엑스선과 열에너지로 전환되며 "전자의 운동에너지 (1/2 mv² ) = 엑스선 에너지 + 열에너지"의 관계가 성립된다. 일반 의료진단용 용도의 가속전압 범위(150 kV 이하)에서는 입사전자빔 에너지의 1％정도만이 엑스선으로 바뀌고 99 ％는 열에너지로 전환되며 발생엑스선중 일부분만이 이용 가능한 조사각도 범위로 방사된다. 그러나 MV 단위의 높은 에너지로 가속되는 경우에는 엑스선 발생효율이 40％ 이상까지 이른다. 가속된 전자가 타겟 충돌시 일시에 에너지를 잃지 않고 임의의 몇 단계를 통해서 에너지를 방출하는데 그 단계마다 임의의 해당 진동수의 엑스선을 방출하므로 연속스펙트럼이 형성된다. 이 때 발생 엑스선 스펙트럼의 최대 진동수와 가속전압의 관계는 다음식으로 주어진다.
eV = ħυ_M= (1/2)mv², υ_M = V / (12.40 × 10³)
υ_M:발생엑스선최대진동수
ħ:프랑크 상수
V:전자(e) 가속전압(관전압)
v:전자의 속도
m:전자의 질량
또한 발생엑스선의 선량은 타겟재료의 원자번호에 비례하고 고출력 엑스선관에서는 전자빔이 타겟에 충돌할 때 초점에서 발생되는 열로 인한 손상 때문에 타겟재료의 원자번호 외에도 열용량, 열전도도, 융점등이 타겟의 재료로서 적합한지 중요한 선택요소이다. 따라서 일반적으로 타겟재료는 원자번호가 높고 고융점을 갖는 텅스텐(W)이나 텅스텐 합금이 이용된다. 원자번호가 79인 금(Au)이 타겟으로 이용되면 같은 가속에너지일 경우라도 원자번호 74인 텅스텐에 비해 엑스선 발생선량이 7％ 정도 증가한다.

엑스선 발생선량은 관전류와 관전압에도 의존하는데 관전압을 높이면 엑스선 발생선량은 대략 제곱에 비례하는 증가를 하고 타겟재료에 따라 특성선이 발생되기도 하며 발생 엑스선 스펙트럼이 고 에너지 쪽으로 이동한다. 엑스선 발생선량(I_int.)은 다음과 같은 식으로 주어진다.

I_int. ∝ iZV^b ,
i : 관전류
Z : 원자번호
V : 가속전압(관전압)
b : 임의상수(∼2)

본 발명에서는 출력이 5W 정도이고 가속전압이 10 kV 정도인 연엑스선 발생관에 대한 것으로서 타겟초점에 발생되는 열로 인한 손상과 관련된 문제에 제한을 받지 않기 때문에 타겟재료를 선택하는데 자유로울 수 있으므로 Au를 코팅하여 타겟으로 활용하였다. 본 발명의 목적은 정전기 제거용 연엑스선 발생관에 관한 것으로서 가속전압이 10 kV 내외이므로 발생 엑스선의 에너지가 낮아서 유리벌브 등 외관을 통과하지 못하므로 엑스선관 구조에서 Be 창이 반드시 필요하다.

종전의 정전기 제거용 연엑스선 발생관은 그림 1의 구조를 하고 있다. 그림 1과 같은 구조에서는 전자빔과 90도 방향으로 방출되는 엑스선을 이용한다. 이와 같은 구조에서는 타겟의 내구성은 있으나 조사각도(40도 내외)가 작은 단점이 있으며 연속가동시 양극의 구조상 양극에 축적된 열이 원활하게 외부로 방출되지 못해서 전체의 온도가 상승하여 문제를 야기 시키는 단점이 있다. 또한 모두 외관 벌브가 유리로 되어 있어서 충격에 약한 단점을 가지고 있다. 또한 정전기 제거장비의 특성상 좁은 설치공간을 필요로 하기 때문에 소형의 장비에 장착하기에는 종전의 정전기제거용 연엑스선 발생관은 공간의 제약을 받는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 정전기 제거용으로서 제전범위를 넓히기 위해 조사각도(130°이상)를 크게 하고 외관구조와 방열구조의 결합이 용이하도록 하며 좁은 공간에서도 장착이 가능하도록, 내부구조를 단순화시켜 얇은 외관구조를 갖는 제품을 제공하는 것이다. 또한 전자빔이 Be 창에 코팅된 타겟에 충돌 되므로서 발생되는 박막타겟의 손상이 급격히 진행되는 것을 막기 위해 초점이 크게 형성되도록 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 내측에 홈(2-12)이 형성되는 원통 형상의 세라믹 절연애자 베이스(2-6); 상기 베이스(2-6)의 저면을 관통하여 상기 홈(2-12)으로 돌출되는 한 쌍의 니켈 전극스템(2-9); 상기 니켈 전극스템(2-9)이 관통 고정되고 상기 베이스(2-6)의 저면에 브레이징 결합되어 상기 니켈 전극스템(2-9)을 지지하는 니켈 전극스템 지지디스크(2-8); 상기 베이스 홈(2-12)에 안착되고, 상기 베이스 홈(2-12)을 관통한 니켈 전극스템(2-9)이 관통되며, 상기 관통된 니켈 전극스템(2-9)에 고정되는 내측에 홈(2-13)이 형성된 니켈 집속관(2-4); 상기 니켈 집속관 홈(2-13)으로 돌출된 니켈 전극스템(2-9)에 접합되는 링형 텅스텐 필라멘트(2-5); 상기 베이스 홈(2-12)의 테두리에 하단이 브레이징 결합되는 코바 어댑터(2-7); 상기 코바 어댑터(2-7)의 상단에 브레이징 결합되고, 내측 심부에 소정각도로 경사진 원주형 관통공이 형성된 베릴륨 창 지지대(2-2); 및 상기 니켈 집속관(2-4)의 상부에 위치하고, 상기 베릴륨 창 지지대(2-2)의 상기 관통공 저면에 장착되는 금(Au) 타겟(2-3)이 코팅된 베릴륨 창(2-1);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 정전기 제거용 연 X선 발생관을 제공한다.
또한, 본 발명은 베이스 홈(2-12)의 일측에는 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 저면측에 접합되는 진공배기관(2-10)이 더 포함될 수 있다. 진공배기관은 조립 후 발생관의 내부를 진공으로 만들기 위함이다.
또한, 본 발명은 집속관(2-4)을 관통하는 니켈 전극스템(2-9)의 관통공 중 하나는 세라믹 절연관(2-15)으로 형성되어 상기 한 쌍의 니켈 전극스템(2-9)이 서로 절연되도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은 니켈 집속관(2-4)과 링형 텅스텐 필라멘트(2-5)의 조립비 D:B:C = 1:2:4 를 만족하도록 구성할 수 있다. 여기서, D : 필라멘트와 집속관 홈의 테두리면 사이의 간극이고, B : 필라멘트와 집속관 홈 측면 사이의 간극이며, C : 필라멘트와 집속관 홈 바닥 사이의 간극이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도 2a는 본 발명에 따른 일실시예인 연엑스선 발생관이고, 도 2b는 본 발명에 따른 일실시예인 연엑스선 발생관의 집속관의 평면도 및 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 일실시예인 연엑스선 발생관 작동 회로 개략도이고, 도 4는 본 발명에 따른 일실시에인 연엑스선 발생관의 조립 순서도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명에 따른 일실시예의 구성을 상세히 설명한다. 상기 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 X선 발생관은 내측에 홈(2-12)이 형성되는 원통 형상의 세라믹 절연애자 베이스(2-6); 상기 베이스(2-6)의 저면을 관통하여 상기 홈(2-12)으로 돌출되는 한 쌍의 니켈 전극스템(2-9); 상기 니켈 전극스템(2-9)이 관통 고정되고 상기 베이스(2-6)의 저면에 브레이징 결합되어 상기 니켈 전극스템(2-9)을 지지하는 니켈 전극스템 지지디스크(2-8); 상기 베이스 홈(2-12)에 안착되고, 상기 베이스 홈(2-12)을 관통한 니켈 전극스템(2-9)이 관통되며, 상기 관통된 니켈 전극스템(2-9)에 고정되는 내측에 홈(2-13)이 형성된 니켈 집속관(2-4); 상기 니켈 집속관 홈(2-13)으로 돌출된 니켈 전극스템(2-9)에 접합되는 링형 텅스텐 필라멘트(2-5); 상기 베이스 홈(2-12)의 테두리에 하단이 브레이징 결합되는 코바 어댑터(2-7); 상기 코바 어댑터(2-7)의 상단에 브레이징 결합되고, 내측 심부에 소정각도로 경사진 원주형 관통공이 형성된 베릴륨 창 지지대(2-2); 및 상기 니켈 집속관(2-4)의 상부에 위치하고, 상기 베릴륨 창 지지대(2-2)의 상기 관통공 저면에 장착되는 금(Au) 타겟(2-3)이 코팅된 베릴륨 창(2-1);으로 구성된다. 또한, 상기 베이스 홈(2-12)의 일측에는 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 저면측에 접합되는 진공배기관(2-10)이 더 포함될 수 있다. 음극 부는 링형 텅스텐 필라멘트(2-5)가 니켈 전극스템(2-9)에 스팟 웰딩 접합되어 니켈 집속관(2-4)과 조립되어 있다. Be 창(2-1)에 코팅된 박막 타겟(2-3)에 Be창(2-1)과 동심의 원형초점이 형성되도록 링형 필라멘트(2-5)와 집속관(2-4)의 조립구조는 D:B:C: = 1:2:4의 비로 한다. 본 발명에서는 타겟(2-3)과 필라멘트(2-5)사이의 간극을 8 mm, A=15 Φ(집속관 홈의 구경=Be 창의 구경), 집속관(2-4) 홈의 깊이를 5mm, D=1mm, B=2mm, C=4mm 하였다.

세라믹 절연애자(2-6)는 모든 부품이 조립되는 베이스역할을 하는 부분으로서 Be 창 지지대(2-2)와 결합시키기 위한 코바 어뎁터(2-7)가 브레이징 되는 부위와 니켈 전극스템(2-9)을 지지하는 디스크(2-8)가 브레이징 되는 부위에는 Mo 페이스트를 이용한 메탈라이징이 선행되어야 한다. 또한 전극 스템(2-9)에 10 kV 내외의 전압을 인가 하였을 때 충분하게 절연이 이루어 질 수 있도록 20kV 내전압 테스트를 하였다. 세라믹 절연애자(3-6)의 재료는 알루미나 96 ％를 이용하였다.

Be 창(2-1)은 엑스선 투과를 위한 Be foil 디스크가 창 지지대(2-2)에 브레이징 조립되어 있다. 정전기 제거용 엑스선관에서 발생되는 엑스선은 연엑스선 영역의 낮은 에너지를 갖기 때문에 0.12t 의 Be foil을 투과 창으로 이용해야만 된다. 또한 정전기 제거용에서는 엑스선 조사각도가 매우 중요한 요소인데 Be 창(2-1) 사이즈와 Be 창 지지대(2-2)의 구조에 의존한다. 본 발명 제품에서는 Be 창(2-1) 내면에 코팅된 Au 타겟(2-3)에 가속된 열전자가 충돌될 때 엑스선이 발생되며 전자빔과 같은 방향으로 방출되는 엑스선을 이용하는데 본 발명에서와 같은 구조에서는 조사각도가 커서 정전기 제전범위면에서 매우 유리하다. 엑스선 발생시 Be 창(2-1) 내면의 타겟(2-3)상의 촛점에서 발생된 열은 Be 창(2-1)을 통해 외부로 방출되고 일부는 창 지지대(2-2)로 전달되어 외부로 방출되는데 창 지지대에 방열구조가 접촉되어 있으면 더 효과적으로 열을 방출 할 수 있다. 또한 입력전력이 낮아 전자빔이 타겟에 충돌할 때 초점에서 발생되는 순간 발열문제는 발생되지 않으므로 타겟은 엑스선 발생선량이 높아지도록 원자번호가 높은 Au를 이용하고 정전기 제거장치에서는 초점의 사이즈와 무관하므로 장시간 작동하였을 때 타겟 촛점부위의 손상을 최소화 시키기 위해 링형태의 필라멘트(2-5)를 장착하여 타겟(2-3)에 Be 창과 동심원의 큰 초점이 형성되도록 하였고 Be 창 지지대(2-2)에 전달된 열이 외부로 원활하게 방출될 수 있도록 고정 탭(2-11)을 이용하여 별도의 방열구조를 조립할 수 있는 구조로 하였다. 전자빔이 작은 초점을 형성하고 있으면 초점부위의 타겟 손상이 급속히 진행되어 엑스선 발생기능이 급격히 저하된다.

도 4를 참조하여, 전체 조립순서를 설명한다. 세라믹 절연 베이스의 저면 및 상부 테두리면을 몰리브덴(Mo)으로 메탈라이징한다. 메탈라이징은 코바어댑터(2-7)와 니켈 전극스템 지지디스크(2-8)를 브레이징 결합하기 위함이다. 메탈라이징이 종료되면, 상기 세라믹 절연 베이스(2-6)에 코바어댑터(2-7)와, 니켈 전극스템 지지디스크(2-8) 및 니켈 전극스템(2-9)과, 진공배기관(2-10)을 브레이징 조립한다. 다음으로, 니켈집속관(2-4)에 필라멘트 지지대(2-16)에 링형 필라멘트(2-5)를 결합하여 니켈 집속관(2-4)에 조립하고, 관통공 중 일측은 절연 세라믹관(2-15)으로 관통공을 형성한다. 조립된 니켈 집속관(2-4)을 세라믹 절연애자 베이스(2-6)에 조립한다. 다음으로, 베릴륨 창 지지대(2-2)에 베릴륨 창(2-1)을 브레이징 결합하고, 베릴륨 창(2-1)에는 금(Au) 타겟(2-3)을 코팅한다. 다음으로, 베릴륨 창 지지대(2-2)를 코바 어댑터(2-7)에 아르곤(Ar) 용접으로 마무리한다. 조립이 완료된 상태에서의 진공배기는 베이스진공도 ∼10^-9 torr 가 되도록 진공배기관(2-10)을 통해 진공배기를 한 다음 에이징 및 베이킹 가열상태에서 진공도 ∼10^-7 torr에서 봉입한다.

본 발명에 따른 일실시예의 작동관계를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 전극스템(2-9)에 전원 V_F(3-1)를 인가하여 필라멘트(2-5)를 가열시킴으로써 열전자를 발생시키고 음극에 마이너스 고전압 V_H(3-2)를 인가하여 이 열전자를 가속시킨다. 가속된 전자빔은 집속관(2-4)에 의해 집속되어 타겟(2-3)에 충돌됨으로써 엑스선이 발생된다. 타겟은 접지(3-3)되어 있다. 본 발명에 따른 일실시예에서 고전압 인가는 정전기 제거의 전기적인 사양에 따라서 음극 부의 전극스템(2-8)에 -9kV∼-11kV 의 전압이 인가된다.

본 발명에 의한 엑스선관의 작동 실시 예는 다음과 같다. 작동조건은 음극부의 전극스템(2-8)에 관전압 -10 kV를 인가하고 관전류 0.6mA, 필라멘트 가열전압 8V, 필라멘트 가열전류 0.7A 일 때 실내 대기 중에서 Be 창면으로부터 1m 떨어진 지점의 엑스선선량을 서베이메터(Survey meter)를 이용하여 측정하였다. 측정된 엑스선선량은 중심부(0°) : 20,000mR/hr, 20°: 20,000mR/hr, 40°: 19,000mR/hr, 50°: 17,000 mR/hr, 60°: 15,000 mR/hr, 65°: 11,000 mR/hr, 70°에서는 수천 mR/hr 급감하였다. 측정된 값에 따르면 본 발명에 의한 엑스선관은 조사각도가 130도인 것을 확인할 수 있다.

엑스선 발생시 조사각도가 커서 넓은 영역에 대한 정전기 제거를 효과적으로 수행할 수 있으며 내부구조를 단순화시켜 얇은 외관구조를 취하므로서 좁은 공간에도 쉽게 장착이 가능하며 특히 바 타입의 정전기 제거장치에 장착하는 것이 용이하다. 또한 링 형태의 필라멘트를 장착하므로서 Be 창과 동심원의 원형 촛점이 크게 형성되어 Be 창에 코팅된 박막 타겟의 수명을 연장시킬 수 있고 기존의 외관구조보다 단순화 되었으며 세라믹 절연애자와 Be 창 지지대로 이루어져 있어서 외부충격에도 강하다.

Claims

내측에 홈(2-12)이 형성되는 원통 형상의 세라믹 절연애자 베이스(2-6);

상기 베이스(2-6)의 저면을 관통하여 상기 홈(2-12)으로 돌출되는 한 쌍의 니켈 전극스템(2-9);

상기 니켈 전극스템(2-9)이 관통 고정되고 상기 베이스(2-6)의 저면에 브레이징 결합되어 상기 니켈 전극스템(2-9)을 지지하는 니켈 전극스템 지지디스크(2-8);

상기 베이스 홈(2-12)에 안착되고, 상기 베이스 홈(2-12)을 관통한 니켈 전극스템(2-9)이 관통되며, 상기 관통된 니켈 전극스템(2-9)에 고정되는 내측에 홈(2-13)이 형성된 니켈 집속관(2-4);

상기 니켈 집속관 홈(2-13)으로 돌출된 니켈 전극스템(2-9)에 접합되는 링형 텅스텐 필라멘트(2-5);

상기 베이스 홈(2-12)의 테두리에 하단이 브레이징 결합되는 코바 어댑터(2-7);

상기 코바 어댑터(2-7)의 상단에 브레이징 결합되고, 내측 심부에 소정각도로 경사진 원주형 관통공이 형성된 베릴륨 창 지지대(2-2); 및

상기 니켈 집속관(2-4)의 상부에 위치하고, 상기 베릴륨 창 지지대(2-2)의 상기 관통공 저면에 장착되는 금(Au) 타겟(2-3)이 코팅된 베릴륨 창(2-1);

으로 구성되는 것을 특징으로 하는 정전기 제거용 연 X선 발생관.
청구항 1에 있어서,

상기 베이스 홈(2-12)의 일측에는 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 저면측에 접합되는 진공배기관(2-10)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 정전기 제거용 연 X선 발생관.
청구항 1에 있어서,

상기 집속관(2-4)을 관통하는 니켈 전극스템(2-9)의 관통공 중 하나는 세라믹 절연관(2-15)으로 형성되어 상기 한 쌍의 니켈 전극스템(2-9)이 서로 절연되는 것을 특징으로 하는 정전기 제거용 연 X선 발생관.
청구항 1에 있어서,

상기 니켈 집속관(2-4)과 상기 링형 텅스텐 필라멘트(2-5)의 조립비 D:B:C = 1:2:4 를 만족하는 것을 특징으로 하는 정전기 제거용 연 X선 발생관

(여기서, D : 필라멘트와 집속관 홈의 테두리면 사이의 간극, B : 필라멘트와 집속관 홈 측면 사이의 간극, C : 필라멘트와 집속관 홈 바닥 사이의 간극).